趙海燕

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的大幅提升及城市化的進(jìn)展，國(guó)內(nèi)家用別墅電梯迎來(lái)了大發(fā)展，全國(guó)的無(wú)齒輪別墅電梯市場(chǎng)從幾千臺(tái)增長(zhǎng)到近數(shù)十萬(wàn)臺(tái)。別墅類(lèi)房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，預(yù)計(jì)未來(lái)十年，我國(guó)的別墅電梯市場(chǎng)仍將保持每年20%的遞增速度。

對(duì)別墅電梯來(lái)說(shuō)，不僅要求產(chǎn)品質(zhì)量要過(guò)硬，對(duì)美學(xué)的要求也是越來(lái)越高。因受別墅建筑空間的限制，大多數(shù)都沒(méi)有預(yù)留獨(dú)立的井道，需要后期額外配置。電梯生產(chǎn)廠商一般是推薦框架井道，主要目的是安裝方便，對(duì)客戶(hù)土建方面要求較低?？蚣芫啦馁|(zhì)主要是兩種，一種是普通鋼材，另一種是鋁合金型材。目前客戶(hù)多選擇是鋁合金型材井道架外加觀光轎廂的配置。鋁合金表面可以噴涂、電泳著色，滿(mǎn)足客戶(hù)的多種裝飾配色需求。相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)井架，鋁合金的強(qiáng)度方面稍弱于鋼結(jié)構(gòu)井架，可以通過(guò)調(diào)整鋁型材截面形狀尺寸及降低導(dǎo)軌支架間距來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

目前家用曳引式電梯市場(chǎng)電梯結(jié)構(gòu)主要有兩種形式[1]，分別為龍門(mén)架式和背包架式。龍門(mén)式電梯導(dǎo)軌分別位于轎廂兩側(cè)，具有受力均勻特點(diǎn)；背包式電梯導(dǎo)軌分別位于轎廂一側(cè)，受力中心不在轎廂導(dǎo)軌之間，相對(duì)轎廂導(dǎo)軌偏載較大。因別墅電梯井道大多占用空間不大，用戶(hù)多選擇背包式這種結(jié)構(gòu)，目的就是能夠以較小的電梯井道占用面積獲得最大電梯轎廂空間。文中主要研究背包架式電梯結(jié)構(gòu)的井架分析,解決井架有限元計(jì)算模型構(gòu)建，得到井架的最大應(yīng)力和最大變形值，驗(yàn)證與設(shè)計(jì)要求是否相符。

1 工況分析

因別墅電梯的井道相對(duì)狹小，不太適用于龍門(mén)架式電梯結(jié)構(gòu)。對(duì)于此類(lèi)井道，為了取得更大的有效轎廂面積，電梯廠商多選擇背包架式電梯結(jié)構(gòu)，圖1所示為背包架電梯結(jié)構(gòu)原理圖(曳引比 1:1)，能有效地提高電梯轎廂有效面積利用率。圖2為某型電梯的井道平面圖。

圖1 別墅電梯原理圖(曳引比 1:1)

圖2 井道平面圖

電梯在運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)軌一般受三個(gè)方向的力[2]，其中水平方向的力由運(yùn)行的轎廂、轎架施加，垂直方向由機(jī)架或安全鉗施加。此文主要探討井架變形及應(yīng)力，垂直方向的力主要由導(dǎo)軌自身承擔(dān)，本文中對(duì)垂直方向力的計(jì)算不作討論。水平方向FX、FY定義如圖3所示。

圖3 導(dǎo)軌水平受力方向

對(duì)于電梯運(yùn)行工況一般分兩種：一是正常運(yùn)行工況，二是安全鉗動(dòng)作工況。對(duì)于井架來(lái)說(shuō)，必定是安全鉗動(dòng)作工況對(duì)井架施力更大，沖擊強(qiáng)度更劇烈?？紤]轎廂載重分布不同狀況，一般有兩種分布方式，見(jiàn)圖4。其中圖4(a)為轎廂載荷Q分布在轎廂前3/4面積區(qū)域，圖4(b)為轎廂載荷Q公布于轎廂左側(cè)3/4面積區(qū)域。這樣載荷分布方式是考慮到實(shí)際可能發(fā)生的場(chǎng)景。

圖4 轎廂載荷分布

背包架式電梯結(jié)構(gòu)工況分析時(shí)，所需參數(shù)如表1所列。

表1 電梯參數(shù)表

續(xù)表1 電梯參數(shù)表

安全鉗動(dòng)作時(shí)，由導(dǎo)向力引起的FX和FY計(jì)算如下[3]：

工況1(載定載荷分布在前3/4區(qū)域，如圖4(a)所示)：

FX=3 670.1 N，F(xiàn)Y=0 N，F(xiàn)K=10 202.4 N

工況2(載定載荷分布在左3/4區(qū)域，如圖4(b)所示)：

FX=3 416.2 N，F(xiàn)Y=507.8 N，F(xiàn)K=10 202.4 N

在模型中，因曳引機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分析對(duì)象亦不是曳引機(jī)本身，只是借助曳引機(jī)來(lái)施加載荷、傳遞載荷，在保證質(zhì)量、重心一致的前提下采用實(shí)體替代，連接位置、曳引輪位置與曳引機(jī)相同，對(duì)結(jié)果影響可以忽略不計(jì)。同時(shí)安全鉗對(duì)于導(dǎo)軌垂直向下的力FK由主要由轎廂導(dǎo)軌承受，此研究對(duì)象是井架應(yīng)力及變形情況，因此可以忽略此力對(duì)井架的影響。曳引機(jī)安裝底板厚度為12 mm，材料為Q235A。

導(dǎo)軌支架示意圖如圖5所示，其中件1、件2均為4 mm厚、材料為Q235A板折彎成，此模型忽略了折彎圓角及螺栓連接孔；件3為10 mm厚、材料為Q235A，此模型忽略與井架連接螺栓安裝孔。

其中在轎廂導(dǎo)軌(型號(hào)為T(mén)75)[4]的相應(yīng)位置利用SolidWorks軟件中的分割線(xiàn)功能，獲得轎廂導(dǎo)靴與導(dǎo)軌結(jié)合的面域，方便后續(xù)有限元分析時(shí)加載。導(dǎo)軌自上而下有兩處面域，其中上導(dǎo)靴位置如圖6所示，距離導(dǎo)軌頂部分別為481.5(431.5+50) mm，導(dǎo)靴襯長(zhǎng)度為100 mm。下導(dǎo)靴位置距離導(dǎo)軌頂部是2181.5 mm。

井架最終模型如圖7所示，型材截面形狀如圖8所示，其相應(yīng)鋁型材截面屬性見(jiàn)表2所列。

圖5 導(dǎo)軌支架

圖6 導(dǎo)軌與導(dǎo)靴接觸面域

圖7 井架1.立柱 2.門(mén)上橫梁 3.門(mén)下橫梁 4.導(dǎo)軌 5.導(dǎo)軌支架 6.橫梁

圖8 型材截面形狀

表2 鋁型材截面屬性

2 邊界條件

根據(jù)此型電梯安裝手冊(cè)，井架頂、底及中間與墻連接位置固定；轎廂導(dǎo)軌、對(duì)重導(dǎo)軌底部固定[5]。對(duì)于多層(超過(guò)2層)電梯，各層立柱與墻體連接，以便增加井架剛度，減少變行，提高運(yùn)行舒適度。如圖9所示，可見(jiàn)立柱頂?shù)坠?jié)點(diǎn)導(dǎo)軌底部固定約束。

圖9 井架及相關(guān)零部件邊界條件

井架及相關(guān)零部件之間采用接合約束，同時(shí)對(duì)于導(dǎo)軌支架、曳引機(jī)固定架與簡(jiǎn)化為梁的鋁合金型材亦采用接合約束。

2.1 材料特性

鋁型材井架部件采用6063-T5材料，材料屬性見(jiàn)表3(采用SolidWorks Simulation材料庫(kù)特性值)。

表3 6063-T5屬性表

除鋁型材井架外，其余材料均為Q235A，材料特性見(jiàn)表4(采用SolidWorks Simulation材料庫(kù)特性值)。

表4 Q235A屬性表

2.2 結(jié)果分析

在SolidWorks Simulation中，上界軸向和折彎表示梁橫斷面最外邊的纖維具有最大應(yīng)力。軸向應(yīng)力：P/A；方向1( 即dir1)上界折彎：力矩M1所產(chǎn)生的最高彎曲應(yīng)力，即M1/W1；方向2(即dir2)上界折彎：力矩M2所產(chǎn)生的最高彎曲應(yīng)力，即M2/W2；上界軸向和折彎，如圖10所示。Solid-Works Simulation軟件通過(guò)對(duì)M1和M2所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和兩個(gè)彎曲應(yīng)力和，在每個(gè)網(wǎng)格單元的兩端計(jì)算應(yīng)力值，P/A+[(M1×I22+M2×I12)×y1+(M2×I11+M1×I21)×y2)]/(I22×I11-I12^2)，其中，Iij(i=j=1或2)是指關(guān)于各自當(dāng)?shù)卣粰M梁方向1和方向2的慣性張量。

圖10 梁受力示意圖

由圖11可知，最大應(yīng)力為75.85 MPa，遠(yuǎn)小于其鋁型材6063-T6的屈服強(qiáng)度145 MPa；井架安全系數(shù)最小為1.93；井架最大變形3.3 mm，也小于安全鉗動(dòng)作時(shí)要求的最大變形5 mm的要求。

圖11 井架分析結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

別墅電梯市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各個(gè)生產(chǎn)廠家替換產(chǎn)品的速度也非?？?，以便適應(yīng)市場(chǎng)的新趨勢(shì)。文中闡述了電梯結(jié)構(gòu)，分析了電梯的不同工況，最后根據(jù)不同工況得出最危險(xiǎn)的工況，并據(jù)此設(shè)計(jì)分析井架在此工況下的受力情況。另外相對(duì)于Ansys等軟件，SolidWorks具有一特別優(yōu)勢(shì)，在Simulation模塊中可以直接將型材轉(zhuǎn)換為梁，軟件操作方便簡(jiǎn)潔，也是選用此軟件原因之一。背包架式電梯結(jié)構(gòu)已累計(jì)出貨上千臺(tái)，沒(méi)有接到業(yè)主關(guān)于電梯井架方面的投訴，從側(cè)面也驗(yàn)證了此種分析法的正確性及可靠性，后期可應(yīng)用有限元的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化鋁型材截面，使其在不提高的成本的前提下，將井架的穩(wěn)定可靠性能提高，適應(yīng)市場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。